Adam Kawa, fizyka techniczna, konwersja energii, sem. VIII, 04.05.2010

Termiczne ogniwa fotowoltaiczne

Przyrządy półprzewodnikowe przetwarzające promieniowanie cieplne na energię elektryczną prawdopodobnie będą w przyszłości oświetlały domostwa na odludziu i napędzały samochody.

Ogniwa fotowoltaiczne stosowane są zwykle do przetwarzania promieniowania słonecznego na energię elektryczną. A promieniowanie z zakresu widzialnego to praktycznie niewyczerpalne źródło czystej i darmowej energii. Jednak ogniwa fotowoltaiczne mogą również dostarczać znacznych ilości energii elektrycznej, wykorzystując promieniowanie z zakresu podczerwieni – czyli promieniowanie cieplne, które powstaje w wyniku spalania np. ropy naftowej. Ta mniej popularna technika, w której stosuje się tzw. Termiczne ogniwa fotowoltaiczne ( thermophotowoltaics) , ma kilka niespotykanych zalet - daje choćby możliwość wytwarzania prądu elektrycznego w nocy lub gdy niebo jest zachmurzone, dzięki czemu nie trzeba gromadzić energii w akumulatorach. W pewnych warunkach wspomniane ogniwa mogą pozwolić na zastąpienie konwencjonalnych sposobów wytwarzania energii elektrycznej opartych na spalaniu kopalin. Ich sprawność, czyli procent energii zawartej w paliwie przetworzonej na elektryczność, może być znacznie większa niż generatorów wykorzystujących gaz ziemny czy inne paliwa kopalne. Ponadto system, którego podstawą są półprzewodnikowe ogniwa, będzie przydatny w razie konieczności zminimalizowania emisji zanieczyszczeń. Co więcej, ponieważ ogniwa te nie zawierają ruchomych części, mogą pracować cicho i niezawodnie, prawie nie wymagając konserwacji i napraw. Mimo tych wszystkich zalet termiczne ogniwa fotowoltaiczne nie cieszą się taką popularnością jak ogniwa słoneczne, których sprzedarz stanowi obecnie dobrze prosperujący, chociaż niewielki segment na rynku źródeł energii. Sytuacja może się jednak zmienić w najbliższej przyszłości. Technika ogniw termicznych wywodząca sie z tych samych badań naukowych które zaowocowały powstaniem ogniw słonecznych, wydaje się już rozwijać niezależnie.

Sama idea powstała 40 lat temu. Niektóre z podstawowych zasad działania przedstawił jako pierwszy Pierre Aigrain w Paryżu podczas serii wykładów w 1956 roku. Na początku lat sześćdziesiątych naukowcy pracujący dla US. Army w Fort Monmouth (New Jersey) stworzyli pierwszy udokumentowany prototyp generatora wykorzystującego ogniwa termiczne. Jego sprawność była jednak mniejsza niż 1 procent. Aby generator znalazł zastosowanie w terenie, musiałaby wynosić co najmniej 10% – 15 %. Pewien wzrost sprawności przyniosły badania prowadzone w końcu lat 70 tych i na początku 80 tych międzi innymi przez Electric Power Research Institute w Palo Alto ( Kalifornia). Jednak zastosowane materiały nie dostarczały odpowiedniej ilości ciepła do elementów przetwarzających promieniowanie podczerwone na elektryczność. Użycie nowych materiałów pomogło ostatnio naukowcom wyjść z fazy eksperymentów.

Rynkowy debiut

Technika wykorzystujące termiczne ogniwa fotowoltaiczne może już wkrótce znaleźć pierwsze praktyczne zastosowania. Pewna firma należąca do Pacyfic Northwest planuje sprzedaż generatora służącego do zasilania elektrycznego wyposażenia jachtów. Opracowuje sie także między innymi małe generatory jako źródła energii elektrycznej na słabo zaludnionych obszarach lub wyposażenie przemieszczających się oddziałów wojska. Technika ta może być również wykorzystana w samochodach hybrydowych, czyli napędzanych silnikiem – zależnie od potrzeb – spalinowym lub elektrycznym. Wreszcie termiczne ogniwa fotowoltaiczne mogą produkować megawaty energii, przetwarzając niewykorzystaną energię cieplną uwalnianą w procesach przemysłowych i w ten sposób przyczyniać się do zaspokojenia zapotrzebowania przemysłu na elektryczność. Wytwarzanie energii elektrycznej z promieniowania termicznego wymaga systemu składającego się z wielu elementów. I tak źródło ciepła musi być sprzężone z tzw promiennikiem, czyli elementem emitującym promieniowanie podczerwone o wybranych długościach fali. Moduł półprzewodnikowy, zawierający matrycę połączonych ze sobą ogniw termicznych, powinien być tak zaprojektowany, by przetwarzał promieniowanie o konkretnych długościach fali na elektryczność. Zostanie ona następnie wysłana do obwodu zewnętrznego w celu wykonania użytecznej pracy – na przykład zasili lodówkę na jachcie. Wreszcie, aby system był wystarczająco efektywny, niewykorzystaną energię cieplną należy ponownie skierować do promiennika. Niekiedy jej nadmiar może posłużyć do innych celów, choćby ogrzewania pomieszcznia.

Ciepło dla ogniwa termicznego może pochodzić zarówno ze spalania paliw kopalnych, jak i być produktem ubocznym reakcji jądrowej. Ze względów praktycznych w większości eksperymentalnych systemów stosuje się zwykłe spalanie. Do zasilania ogniw termicznych nadaje się również promieniowanie słoneczne wzmocnione dzięki zastosowaniu urządzeń zwanych koncentratorami. Jednak koncentratory promieniowania o stosunkowo niewielkich rozmiarach, a także instalacje do przechowywania ciepła w nocy nadal znajdują sie we wstępnych fazach opracowania. Wielu ekspertów bierze również pod uwagę jako źródło energię jądrową. Jednak obawy społeczeństwa najprawdopodobniej ograniczą to rozwiązanie do wyspecjalizowanych systemów, np bezzałogowych sond kosmicznych badających zewnętrzne obszary Układu Słonecznego, w których z braku światła baterie słoneczne przestają funkcjonować. Naukowcy pracujący nad skonstruowaniem palnika dostarczającego ciepło rozważają zastosowanie pojemników zbudowanych z metalowych siatek lub materiałów ceramicznych używanych obecnie w przemysłowych procesach suszenia papieru, farb czy też produktów rolnych. Mają one dużą powierzchnię i osiągają wymaganą temperaturę pracy – ponad 1000 º C. Zastosowanie promienników ciepła jest konieczne, ponieważ półprzewodnikowe ogniwa fotowoltaiczne przetwarzające promieniowanie termiczne na elektryczność nie mogą bezpośrednio wykorzystać promieniowania emitowanego podczas spalania paliwa. Pracują one wydajnie tylko w ściśle określonym przedziale długości fal, tym czasem widmo promieniowania wytwarzanego przez płomień zmienia się w sposób trudny do przewidzenia ( z powodu przepływu powietrza i fluktuacji temperatury płomienia). Promienniki przetwarzają więc dostępną energię cieplną na promieniowanie o ściśle określonym zakresie długości fal i równomiernym rozkładzie energii. Promiennik może być zbudowany jako płaska lub cylindryczna powierzchnia czy też jak matryca cienkich włókien. Własności tlenków pierwiastków ziem rzadkich takich jak iterb, erb czy holm, pozwalają na emisję promieniowania podczerwonego w stosunkowo wąskich przedziałach długości fal, podczas gdy na przykład widmo promieniowania węglika krzemu jest znacznie szersze. Budując ogniwa fotowoltaiczne naukowcy wybierają takie materiały półprzewodnikowe, które najlepiej absorbują zakres długości fal promieniowania wytwarzanego przez promienniki . Długości te odpowiadają mniej więcej wielkości energii koniecznej, by uwolnić elektrony, które w przeciwnym razie pozostałyby związane siecią krystaliczną półprzewodnika. Elektrony o największej energii rezydują w tzw paśmie walencyjnym kryształu półprzewodnika. Pasmo to obejmuje zakres dozwolonych poziomów energii dla najbardziej zewnętrznych związanych elektronów. Elektron z pasma walencyjnego nie może się poruszać w krysztale. Gdy jednak zaabsorbuje foton promieniowania podczerwonego o odpowiedniej energii, wzbudza się, przechodząc do pasma przewodnictwa, w którym może się swobodnie przemieszczać i tworzyć prąd elektryczny. Foton jest jednostką , czyli kwantem, energii promieniowania elektromagnetycznego. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej każde promieniowanie elektromagnetyczne ma zarówno cechy fali, jak i cząstki, a energia fotonu określa jednoznacznie długość odpowiadającej mu fali. Energia fotonu konieczna do wzbudzenia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa odpowiada szerokości pasma zabronionego i jest wyrażana w elektronowoltach. Kiedy elektrony znajdują się już w paśmie przewodnictwa, przekraczają granicę złącza p-n poruszając się w jednym kierunku bardziej swobodnie niż w drugim. Powstałe w ten sposób nagromadzenie ujemnie naładowanych elektronów po jednej stronie złącza p-n powoduje powstanie ujemnego potencjału który zmusza elektrony do przemieszczania sie w postaci prądu elektrycznego płynącego przez komórkę ogniwa. Aby zwiększyć otrzymanej energii ogniwo fotowoltaiczne buduje się z wielu połączonych ze sobą komórek. Wytworzony prąd może następnie płynąć przez przewód podłączony do lampy lub sieci elektrycznej domu. .

Postęp w dziedzinie materiałów używanych do budowy ogniw fotowoltaicznych pozwolił inżynierom zwiększyć ilość otrzymanej energii elektrycznej. Mogą oni wybrać ogniwo, którego własności absorpcyjne najlepiej pasują do widma emitowanego przez konkretny promiennik. Trudności w doborze odpowiedniej pary promiennik – ogniwo były w ubiegłych latach główną przeszkodą w rozwoju tych źródeł energii. W pierwszych wersjach generatorów fotowoltaicznych używano promienników o bardzo wąskim zakresie długości fal. Promnienniki wykonane z tlenku iterbu często zestawiano z krzemowymi ogniwami fotowoltaicznymi, dla których szerokość pasma zabronionego wynosi 1,14 eV. Teoretycznie promiennik charakteryzujący się bardzo wąskim widmem wydaje się bardziej efektywny niż wykonany z materiału promieniującego w szerokim zakresie długości fal. Fotony emitowane przez taki selektywny promiennik powinny dostarczać minimum energii niezbędnej do wzbudzenia elektronu w ogniwie z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. W innym przypadku każdy nadmiar energii byłby tracony jako rozpraszające się ciepło tak więc selektywne promienniki powinny dawać tańszą energię. W praktyce jednak nie osiągnęły nigdy zakładanej sprawności. Promienniki nie uzyskiwały ze spalanych paliw wystarczającej ilości energii ( którą mogłyby wyemitować w postaci promieniowania o precyzyjnie określonej długości fali wymaganej przez materiał taki jak krzem), aby uczynić proces przetwarzania odpowiednio wydajnym, czyli żeby otrzymana ilość energii elektrycznej była dostateczna. Ponadto aby dało się uzyskać natężenie promieniowania zapewniające użyteczną wielkość prądu, promiennki muszą pracować w temperaturze 2000 º C. Takie rozgrzanie prowadzi czasem do naprężeń w materiale promiennika oraz innych elementów generatora i skraca żywot całego urządzenia. Co więcej, spalaniu w tak wysokich temperaturach towarzyszy emisja szkodliwych tlenków azotu. Postęp w dziedzinie generatorów fotowoltaicznych dokonał się dzięki temu , że naukowcy nauczyli się dobierać promienniki emitujące promieniowanie o szerokim widmie do półprzewodników, które potrafią je absorbować. Promienniki szerokopasmowe, takie jak weglik krzemu, efektywnie pracują w niższych temperaturach, nie przekraczających 1000ºC. Emitowane przez nie promieniowanie może być przetwarzane przez półprzewodniki opracowane na potrzeby przemysłu ogniw słonecznych, utworzone z pierwiastków z III i V grupy układu okresowego (tzw związki półprzewodnikowe grupy AIII – BV), np antymonek galu lub arsenek galowo – indowy. Szerokość pasma zabronionego, czyli energia absorbowanych fotonów, dla związków z grupy AIII – BV wynosi zwykle 0,5 – 0,7 eV i jest znacznie mniejsza niż 1,14 eV dla krzemu.

Żaden generator fotowoltaiczny nie potrafi przetworzyć na prąd elektryczny całego promieniowania podczerwonego. Żaden foton o energii mniejszej niż szerokość pasma zabronionego nie wzbudzi elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, a więc nie przyczyni się do wytworzenia elektryczności. Jeśli nie znajdzie się sposobu na powtórne jego użycie, niewykorzystany foton zostanie stracony. Typowym elementem składowym generatora jest więc system odzyskiwania fotonów, odprowadzający fotony o niższej energii z powrotem do promiennika, gdzie są absorbowane. Dzięki temu przyczyniają się do utrzymania wysokiej temperatury oraz zaoszczędzenia paliwa i w rezultacie więcej wyemitowanych fotonów osiąga energię wystarczającą do wzbudzenia elektronu.

Odzyskać niewykorzystane fotony

Konstruktorzy generatorów fotowoltaicznych wypróbowali wiele sposobów odzyskiwania fotonów, w tym użycie sieci mikroskopijnych, metalowych anten. Anteny mogą być cienkimi warstwami metalu umieszczonymi pomiędzy promiennikiem a ogniwem, które przepuszczają fale o porządanej długości do ogniwa, pozostałe natomiast odbijają w kierunku promiennika. Wiele sposobów odzyskiwania fotonów się nie sprawdziło. Niektóre wyłapywały fale ze zbyt wąskiego zakresu, inne okazały się nadmiernie kosztowne. Obecnej najbardziej obiecującym rozwiązaniem jest “ reflektor końcowy” - nazwany tak ponieważ nie zaabsorbowane fotony przenikają całkowicie warstwy ogniw, po czym są zawracane do promiennika przez silnie odbijające złote zwierciadło umieszczone za ogniwami.

Naukowcy na całym świecie wypróbowują różne środki techniczne pozwalające na opracowanie generatorów fotowoltaicznych oraz uczynienie z nich nadających się do zastosowania w praktyce źródeł energii. Od roku 1994 spotykali się trzykrotnie na konferencjach.

Entuzjazm naukowców budzą wyniki badań labolatoryjnych. Istnieje szansa, że gdy zastosuje się promienniki pracujące w temperaturze 1500ºC oraz ogniwa fotowoltaiczmne z pojedyńczym złączem p-n , z 1cm2 ogniwa uda się uzyskać 3-4 W.

Rozważa się też zastosowanie ogniw z wieloma złączami p-n, czyli rozwiązanie typowe dla ogniw słonecznych. Ogniwa z wieloma złączami pozwoliłyby na przetwarzanie promieniowania o szerszym widmie, dzięki czemu wzrósł by stopień wykorzystania promienników szerokopasmowych. Poszczególne złącza wytwarzałyby prąd, absorbując fotony o innych energiach . Teoretycznie ogniwa wielozłączowe mogłyby osiągnąć poziom 5- 6 W z 1 cm2. Dla porównania : typowa płasko-panelowa matryca ogniw słonecznych daje 15mW na cm2. Chociaż te przewidywania są wynikiem symulacji komputerowych i rzeczywiste ogniwa na pewno nie będą tak wydajne, pierwsze prototypowe urządzenia produkują jednak powyżej 1W na cm2. Mozolne i trudne prace nad zaprojektowaniem i budową generatora fotowoltaicznego prowadzi się w kilku prywatnych i rządowych labolatoriach. Uzyskanie wystarczających ilości energii z takich urządzeń wymaga połączenia ze sobą wielu pojedyńczych ogniw. Na jednoczesne wytworzenie dużej ich liczby na tzw płytce podłożowej pozwalają tradycyjne procesy technologiczne stosowane w przemyśle mikroelektronicznym. Wyprodukowane tą metodą matryce zademonstrowali naukowcy z NREL oraz pracujący niezależnie badacze ze Spire Corporation w Bedford, a także z NASA Lewis Research center. Szczególnie interesujące rozwiązanie przedstawili Scott Ward i Mark Wanlass z NREL którzy połączyli szeregowo małe pojedyńcze ogniwa. Przewody biegną wzdłuż górnej powierzchni jednego ogniwa, a później pod spodem kolejnego w konfiguracji, która zapewnia zmniejszenie przepływu prądu, zwiększenie napięcia i zminimalizowanie strat mocy. Rezultatem tego rozwiązania mogłaby być płytka podłożowa z wieloma pojedyńczymi ogniwami, która miałaby tylko dwa doprowadzenia konieczne do podłączenia odbiornika – na przykład pompy lub domku w lesie . Większa liczba takich płytek pozwoliłaby osiągnąć wymaganą moc wyjściową generatora. Integracja pojedyńczych ogniw na płytce podłożowej zmniejszyłaby prawdopodobnie koszty technologii, ponieważ ogniwa wytwarzanoby w standardowym procesie . Scott i Wanlass zastosowali w swoim prototypie również nową technikę odzyskiwania fotonów. Obszary elektrycznie aktywne znajdują się na górnej powierzchni płytki fosforku indu. Ponieważ materiał ten nie przewodzi prądu, a większość elektronów jest stosunkowo mocno związana z siecią krystaliczną półprzewodnika, fotony o niskiej energii przenikają swobodnie przez podłoże, nie absorbowane przez elektrony z pasma przewodnictwa. Docierają więc do dolnej powierzchni płytki, tam ulegają odbiciu od warstwy złota tworzącej zwierciadło i wracają do promiennika. W innych prototypowych ogniwach nie wykorzystane fotony są absorbowane przez podłoże, na którym wykonano ogniwa. Prace badawcze nad generatorami fotowoltaicznymi trwają, a tym czasem pierwsze produkty komercyjne pojawią się niebawem na rynku. Firma JX z Waszyngtonu opracowała użądzenie o nazwie Midnight Sun, głównie do łodzi żaglowych. Szeroki na 14 cm i wysoki na 43 cm cylindryczny grzejnik zasilany propanem może dostarczyć 30 W mocy i jest przeznaczony do ładowania akumulatorów zasilających aparaturę nawigacyjną i inne elektryczne elementy wyposażenia jachtu. Urządzenie ma nie tylko wytwarzać energię elektryczną ale również odgrywać rolę dodatkowego generatora służącego do ogrzewania kabiny. Składa się z częściowo selektywnego promiennika ze stopu glinianu magnezu oraz połączonych szeregowo ogniw fotowoltaicznych z antymonku galu. Chociaż Midnight Sun kosztuje obecnie 3000 dolarów, czyli więcej niż tradycyjny generator z silnikiem Diesla pracuje cicho i powinien być bardziej niezawodny ponieważ nie zawiera ruchomych części. Tańsza wersja urządzenia w którym zastąpiono by elementy ze stali i mosiądzu, konieczne w morskim, agresywnym środowisku, wykonanymi z mniej kosztownych materiałów zapewne zainteresowałaby również właścicieli przyczep lub domków na odludziu.

Mimo obecnych wad generatorów z selektywnymi radiatorami naukowcy wciąż nad nimi pracują. W celu zaprojektowania dla wojska generatora zasilanego benzyną którego zadaniem byłoby dostarczenie energii elektrycznej do urządzeń telekomunikacyjnych albo laptopów w warunkach polowych, DARPA stworzyła grupę badawczą ...

To samo urządzenie mogłoby na przykład również posłużyć do awaryjnego zasilania domu w przypadku przerwy w dostawie energii. W modułach o mocy 150 W lub 300 W wykorzystano selektywne promienniki sprzężone z ogniwami krzemowymi. Wielowarstwowe filtry izolacyjne zapobiegają stratom energii.

Choć generatory wykorzystujące termiczne ogniwa fotowoltaiczne ciągle znajdują się w stadium badań i eksperymentów, stwarzają nadzieje na kilka specjalistycznych zastosowań. W dalszej przyszłości zaczną prawdopodobnie odgrywać pewną rolę na światowym rynku źródeł energii. Termin “ zastosowanie specjalistyczne” sugeruje niewielką produkcje dla kilku kientów. Ale świat jest wypełniony takimi właśnie wartymi miliardy dolarów niszami rynkowymi, których początki bywały skromn.

Widoki na przyszłość

Odzyskiwanie ciepła traconego w przemyśle stwarza potencjalnie ogromny rynek dla termicznych ogniw fotowoltaicznych. W wielu gałęźiach przemysłu (np podczas produkcji szkła, aluminium, stali) uwalniane są ogromne ilości ciepła . Producenci szkła szacują że około 2/3 zużywanej przez nich energii ulatnia się, co może oznaczać utratę gigawatogodzin. Do odzyskiwania traconego niepotrzebnie ciepła można by stosować termiczne ogniwa fotowoltaiczne. Przyniosłoby to ogromne oszczędności. Innym obiecującym zastosowaniem ogniw jest zasilanie samochodów o napędzie hybrydowym co zademonstrował Western Washington University. Zamontowany w tym pojeździe generator o mocy 10kW stanowi uzupełnienie silnika spalinowego.

Branża generatorów wykorzystujących termiczne ogniwa fotowoltaiczne jest warta obecnie nie więcej niż 20-40 mln dolarów rocznie. Tyle naukowcy otrzymują na prace nad ogniwami, promiennikami i konstrukcją prototypów. Zysków należy oczekiwać w wyniku zastępowania ogniwami małych generatorów o mocy poniżej 2kW ( napędzanych silnikami Diesla) i wykorzystywanych obecnie przez wojsko oraz w przyczepach kempingowych i na łodziach żaglowych. Zastosowanie generatorów z termicznymi ogniwami fotowoltaicznymi może doprowadzić do nowych rozwiązań w zakresie czystszych, bardziej wydajnych i tańszych źródeł energii . Niewykluczone, że technika której początki sięgają lat pięćdziesiątych, na przełomie wieków dowiedzie swojej przydatności.